Энергия на ваших условиях: Важность развития технологий хранения энергии
Современные технологии накопления энергии становятся опорой глобального энергетического перехода, обеспечивая стабильность и надёжность в мире, где доступ к энергии приобретает критическую важность. То, что когда-то казалось смелой фантазией инженеров, сейчас воплощается в реальность, обеспечивая стабильность и безопасность энергосистемы. Ведь что может быть важнее, чем доступ к энергии именно тогда, когда она действительно нужна?
При упоминании возобновляемых источников энергии многие представляют солнечные панели и ветряные турбины — символы чистой энергии будущего. Однако и солнце, и ветер — это не постоянные явления. Здесь вступают в игру накопители энергии, которые обеспечивают надежную работу системы независимо от смены дня и ночи или капризов погоды.
На текущий момент основным решением остаются литий-ионные батареи, которые обеспечили прорыв в компактности и эффективности хранения энергии. Однако, несмотря на значительный технологический прогресс, у них есть и серьёзные ограничения. Производство таких батарей требует редких материалов, добыча которых наносит ощутимый вред экологии. К тому же ресурс самих аккумуляторов лимитирован: с каждым зарядом ёмкость постепенно снижается, что ограничивает их пригодность для масштабных и долгосрочных энергетических систем.
Утилизация литий-ионных батарей также остаётся серьёзной проблемой. С ростом потребности в аккумуляторах для электромобилей и бытовой электроники, мир сталкивается с увеличением объёма токсичных отходов, переработка которых требует значительных затрат и усилий. Все это ведет к тому, что накопители энергии должны превратиться из вспомогательной технологии в ключевой элемент энергосистемы способной поддерживать устойчивость и развитие общества в будущем.
Для этого нужны инновации. Накопители нового поколения должны быть не только мощными и долговечными, но и экологически безопасными, способными удовлетворить растущие потребности в чистой и доступной энергии.
Ведущие компании и исследовательские центры по всему миру работают над новыми решениями в области накопления энергии. Вот несколько инноваций, которые уже стали ключевыми элементами энергосистемы будущего и открывают возможности для устойчивого развития.
Твердооксидные батареи
Твёрдотельные батареи, или твёрдооксидные аккумуляторы, считаются одной из перспективных технологий в сфере накопления энергии, особенно для электромобилей и мобильных устройств. Основное отличие этих батарей — использование твёрдого электролита вместо традиционного жидкого, что приносит ряд важных преимуществ: улучшенную безопасность, высокую плотность энергии и долговечность. Это снижает риск возгорания, связанный с литий-ионными батареями, где жидкий электролит может утекать и воспламеняться. Благодаря твёрдой структуре, такие батареи более устойчивы к высоким температурам и механическим повреждениям. Такие аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью, позволяя хранить больше энергии на меньшем пространстве. Это особенно важно для электромобилей, так как батареи компактны, но при этом обеспечивают увеличения пробега на одной зарядке. Твёрдотельные батареи менее подвержены деградации, так как твёрдое вещество препятствует образованию дендритов — микроструктур, которые могут вызывать короткие замыкания и ускорять износ аккумулятора.
Компании, среди которых Toyota и Idemitsu Kosan в Японии, уже близки к массовому производству твёрдотельных батарей с сульфидным электролитом и планируют вывести их на рынок к 2027 году. В США QuantumScape и Volkswagen активно проводят испытания своих разработок, демонстрируя впечатляющие результаты в области быстрой зарядки и долговечности, а китайская NIO уже начала внедрять полу-твёрдотельные батареи в свои автомобили. (1)(2)(3)
Ещё одно перспективное направление — водородные топливные элементы
Водородные топливные элементы предлагают альтернативу традиционным батареям, особенно для долгосрочного хранения энергии. Принцип их работы основан на электрохимической реакции водорода и кислорода, при которой вырабатывается электричество, а единственным побочным продуктом становится вода. Этот процесс проходит в условиях высокой эффективности и минимального воздействия на окружающую среду, что делает водородные элементы экологически чистым и надёжным решением для накопления и транспортировки энергии , что особенно важно в переходе к возобновляемым источникам.
Водородные топливные элементы становятся важной технологией для резервного питания критически значимых объектов, таких как больницы и дата-центры. Например, Microsoft протестировала водородные генераторы в своих дата-центрах, обеспечив непрерывное питание до двух суток. И это может стать надежной и экологической заменой дизельных генераторов.
В крупных логистических центрах, среди которых склады Amazon и Walmart, водородные топливные элементы питают вилочные погрузчики и специализированную технику, что помогает операторам снизить углеродный след и повысить эффективность работы. Быстрая заправка водородом делает их более удобными и безопасными по сравнению с традиционными батареями.
А на железных дорогах водородные поезда, такие как немецкий Coradia iLint, постепенно заменяют дизельные локомотивы, они уже курсируют в Германии, Японии и Великобритании. Эти поезда обладают высокой автономностью и не требуют электрифицированных линий, что позволяет использовать их на протяжённых маршрутах, обеспечивая экологичное решение для железнодорожного транспорта. (4)(5)(6)
Ванадиевые редокс-батареи
Для крупных энергетических объектов особый интерес представляют ванадиевые редокс-батареи. Эти системы хранения энергии используют электролит на основе ванадия, в котором энергия сохраняется через ионы ванадия, находящиеся в различных степенях окисления. Электролит циркулирует между двумя резервуарами, а в редокс-ячейках происходит обмен электронами, создавая электрический ток, доступный по мере необходимости. В отличие от батарей, где энергия хранится в структуре твёрдого электрода, ванадиевые батареи не зависят от состояния твёрдого материала, что придаёт им уникальную гибкость и долговечность.
Одним из преимуществ ванадиевых редокс-батарей является возможность увеличения ёмкости простым добавлением большего количества электролита, без необходимости менять конструкцию батареи. Это делает их отличным выбором для крупных объектов, где требуется надёжное и масштабируемое решение для хранения энергии. Ванадиевые редокс-батареи сохраняют свою эффективность даже после тысяч циклов зарядки и разрядки, поскольку у них отсутствуют твёрдые электроды, подверженные износу. Эта долговечность делает их особенно привлекательными для стационарного применения, например, на электростанциях или в резервных системах.
Такие батареи уже устанавливаются на крупных промышленных объектах, электростанциях и используются для стабилизации энергосетей. Ванадиевые редокс-батареи помогают накапливать избыточную энергию, производимую солнечными и ветряными электростанциями, чтобы вернуть её в сеть в периоды пикового спроса. Эти системы уже применяются в таких странах, как Япония, США и Китай, поддерживая стабильность энергосистем и снижая нагрузку на сеть. (7)(8)(9)
Пояснение:
Твёрдотельные батареи используют твёрдый электролит, что делает их более безопасными и эффективными для компактных приложений, таких как электромобили и мобильные устройства, требующие высокой плотности энергии. Твёрдое состояние электролита предотвращает утечки и образование дендритов, что повышает срок службы батареи. В отличие от них, ванадиевые редокс-батареи с жидким электролитом предназначены для крупных стационарных систем, таких как электростанции, где важна долговечность и возможность масштабирования. Жидкий электролит в этих батареях позволяет легко увеличивать ёмкость и сохраняет стабильность даже после тысяч циклов зарядки и разрядки.
Гравитационные и маховиковые накопители: механические решения для хранения энергии
Механические накопители энергии, такие как гравитационные и маховиковые системы, предлагают уникальные способы сохранения и использования энергии. Эти технологии, основанные на законах физики, способны накапливать большие объёмы энергии на протяжении десятилетий, не теряя эффективности и не подвергаясь химической деградации, как это происходит с батареями.
Гравитационные накопители: сила тяжести в действии
Гравитационные накопители используют избыточную энергию для подъёма тяжёлых блоков, которые затем аккумулируют потенциальную энергию на высоте. Когда энергия требуется, блоки опускаются под действием силы тяжести, а электродвигатели превращаются в генераторы, преобразуя кинетическую энергию в электрическую и возвращая её в сеть. Одним из таких решений стала система Gravitricity, тестируемая в шахтах Шотландии, где тяжёлые грузы помогают стабилизировать работу энергосистем на основе возобновляемых источников, таких как ветер и солнце. (10)
Маховиковые накопители: энергия вращения
Маховиковые системы используют принцип накопления кинетической энергии в массивном роторе, который разгоняется при избытке энергии и поддерживает накопленную энергию в форме вращения. Когда энергия нужна, система замедляет ротор, возвращая накопленную энергию в сеть. Эти устройства, способные достигать десятков тысяч оборотов в минуту, отлично подходят для краткосрочного хранения и особенно востребованы как резервные источники питания. Например, маховики помогают стабилизировать сеть на острове Кодиак (Аляска), а в Лос-Анджелесе они используются для рекуперации энергии от торможения поездов, повышая энергоэффективность транспортных систем. (7)(8)(9)
Водно-железные батареи
Водно-железные батареи представляют собой перспективную технологию для долгосрочного хранения энергии, ориентированную на экологичность и доступность. Используя простые и недорогие материалы — железо и воду, эти батареи становятся безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, содержащим токсичные вещества. Ключевой производитель этой технологии, компания ESS Inc, разрабатывает водно-железные батареи для крупных энергетических проектов, требующих надежного и долговременного хранения энергии.
Процесс накопления и высвобождения энергии в этих батареях основан на окислении и восстановлении железа в растворе. Во время зарядки железо окисляется, освобождая электроны, которые затем используются для генерации электричества при разрядке. Такой цикл обеспечивает длительное хранение энергии с минимальной деградацией, что делает водно-железные батареи идеальными для стационарных решений, таких как системы накопления энергии для сетей с возобновляемыми источниками.
С точки зрения экологии, использование нетоксичных и доступных материалов минимизирует вред окружающей среде как при производстве, так и при утилизации батарей. Эти системы рассчитаны на тысячи циклов, без значительной потери ёмкости, что обеспечивает их экономическую эффективность для крупных энергетических проектов. ESS Inc уже внедрила свои водно-железные батареи в ряде проектов в США, где они помогают стабилизировать сети на основе солнечной и ветровой энергии. (11)
Геомеханическое хранение энергии
Геомеханическое хранение энергии — это современный метод, который использует природные процессы и подземные ресурсы для долговременного накопления и эффективного высвобождения энергии. Суть технологии заключается в закачке воды под высоким давлением в пористые подземные слои, такие как песчаники, которые способны удерживать значительные объёмы жидкости.
Процесс начинается, когда энергия вырабатывается в избытке, например, в периоды интенсивной солнечной активности или сильного ветра. В это время вода закачивается в пористые слои земли, что позволяет аккумулировать потенциальную энергию. Когда возникает повышенный спрос на электричество, вода высвобождается и поднимается к поверхности, приводя в действие турбины. Эти турбины преобразуют кинетическую энергию потока воды в электричество, обеспечивая необходимые мощности для электросети.
Одним из ключевых преимуществ геомеханического хранения является то, что оно не требует создания искусственных водохранилищ или плотин, что сохраняет природные ландшафты и минимизирует воздействие на окружающую среду. Эта технология исключает использование опасных химикатов, делая её более безопасной и устойчивой по сравнению с традиционными гидроаккумулирующими станциями.
Геомеханическое хранение энергии особенно эффективно в регионах с доступом к пористым подземным резервуарам. Оно может служить устойчивой альтернативой для мест, где возможности для строительства традиционных гидроаккумулирующих станций ограничены. Компания Quidnet Energy является одним из лидеров в этой области, успешно внедряя свои технологии в проектах, таких как установка в Техасе на 1 МВт, которая может быть расширена до 15 МВт. Этот проект демонстрирует, как геомеханическое хранение может стабилизировать электросеть и эффективно использовать энергию из возобновляемых источников.
Будущее накопления энергии
Технологии хранения энергии представляют собой ключевой компонент для перехода к полностью возобновляемым источникам энергии. Ожидается, что ближайшие годы принесут значительные улучшения в аккумуляторах, делая их более доступными и эффективными как для домашнего, так и для коммерческого использования. Это не только повысит экономическую эффективность, но и уменьшит зависимость от центральных энергосетей, а также расширит возможности электромобилей, позволяя им проезжать дальше и заряжаться быстрее.
Большие аккумуляторные фермы станут важным элементом в поддержании стабильности возобновляемых источников, управляя избыточной энергией и обеспечивая её выдачу в периоды пиковой нагрузки. Это будет способствовать стабильному электроснабжению и поможет минимизировать проблемы, связанные с изменчивостью возобновляемых источников. Кроме того, применение экологически чистых технологий накопления способствует снижению углеродного следа и поддерживает переход к устойчивому развитию.
(15) https://essinc.com/